Okex投资研究：从POW到POS，以太坊2.0深度分析

目录：

1、 伊斯坦布尔升级

2、 以太坊2.0

2.1建筑

2.2主要更新点

2.3关键解决方案

3、 以太坊2.0面临的风险

A660201伊斯坦布尔升级

2019年12月8日星期日，以太坊网络按计划升级至伊斯坦布尔，街区高度为906.9万ETHernodes.org网站据该网站称，超过90%的节点已经完成同步。

（节点同步图，图片来自ETHernodes.org网站)

以太坊自成立以来，在加密资产市场价值上稳居第二位，在全球拥有更大的开发者群体。从dapp的数量来看，这也让其他公共公链远远落后。但即便是这样一个“万人以下一人以上”的职位，也并不意味着以太坊可以安逸。以太坊以“世界电脑”为基础，目前每秒处理约15笔交易，而像维萨这样的私人公司每秒可处理45000笔交易。频繁的拥塞事件会导致额外的开销和处理时间等待，这使得用户体验非常差，极大地限制了以太坊的发展。以太坊2.0是以太坊现有网络规划的替代品。致力于在不减少去中心化的前提下，大大提高以太坊网络的可扩展性和性能，从而更好地承载去中心化的应用，促进行业应用的爆发。

（主流公链的DAPP数据图，https://www.stateddapps.com/11月29日）

伊斯坦布尔升级是以太坊2.0可扩展蓝图中的一个关键里程碑，它试图在不牺牲去中心化原则的情况下，使区块链的应用更快、更便宜。伊斯坦布尔的升级包括降低天然气成本、改善与私人货币zcash的连锁互操作性以及允许更多创新功能的智能合约。

总共14个EIP（以太坊改进建议）将分两个阶段实施。其中6个方案将在第一阶段（V1）实施，其余8个方案将在核心开发人员讨论审议后，预留给后续的第二阶段（V2）升级实施。

在V1阶段，eip-1884是有争议的——为了保护区块链免受潜在的垃圾邮件交易攻击，它将增加应用程序开发人员从网络中检索数据的计算成本、操作代码重置gas的成本以及某些操作的gas成本。这使得在以太坊上调用数据比以前更加昂贵。对于开发人员来说，他们需要避免编写占用大量存储空间的应用程序，以消除燃气成本变化带来的最大干扰。例如，他们需要估计事务中访问的总存储空间+契约+契约代码，并确保它们不会过载。Eip-1108也很流行-它涉及到重新定价在以太坊上预编译的椭圆曲线算法。它旨在通过优化天然气支付来提高以太坊的可扩展性和隐私协议，并将降低zk snarks和以太坊上其他隐私应用程序（如zETHer和Aztec）的使用成本。

第二阶段（V2）计划在升级后的主网上实现，包括一个名为“progpow”的算法改进，它将通过替换工作量证明功能ETH算法来增强以太坊抵抗ASIC的能力。

随着以太坊刚刚完成伊斯坦布尔升级，以太坊2.0开发团队于12月10日正式发布了灯塔公共测试网。以太坊2.0的方案和流程再次成为热点问题。

双以太坊2.0

以太坊的目标是成为一个分布式金融和智能合约执行平台和“现实世界的计算机”以太坊的官方网站显示，以太坊是一个面向去中心化应用的全球开源平台。在以太坊中，您可以编写控制数字值的代码，完全以编程方式运行它，并在世界任何地方访问它。在这个去中心化的世界里，以太坊似乎把自己定位为去中心化网络的建设者，去中心化网络基础设施和技术的提供者。

为了实现世界计算机的目标，以太坊在2014年初设置了四个发展阶段：前沿、家园、大都市和宁静。前三个阶段采用POW模式，第四个阶段“宁静”是以太坊的最终形态POS，我们称之为以太坊2.0。

在第2.0阶段，将完成从POW到POS的转换，以及重要的升级，如分片和用ewasm替换EVM。预计升级后，以太坊将显著提速。

（以太坊1.0和以太坊2.0的基本信息）

2.1以太坊2.0架构

（以太坊2.0整体架构，来自萧伟旺）

自上而下：

一。POW主链是当前的以太网主网络。在以太坊2.0中，它将继续作为信标链的一部分运行。

二。信标链是所有链的基本链，是整个以太坊2.0系统的核心部分。它通过权益来证明Casper协议（Casper是整个系统的共识层，负责管理验证者，实施奖惩），协调所有独立的并行分片链。它采用交叉链接作为每个分片的锚点，实现交叉分片通信分割提供最终保证。

3Shardchains是一个shard链，也是可伸缩性的来源。每个航段都有一个验证委员会对航段进行打包和验证，并通过交叉链接定期记录航标链上航段的状态。一旦在信标链上确定了一个块，块中的交叉链接所引用的分区块就被认为是可篡改的。

四。虚拟机层是以太坊2.0系统的最后一个重要组成部分，它将提供契约和事务执行。

以太坊2.0的架构如图1所示。在以太坊2.0中，将有一个称为信标链的主链。信标链下有64个段，每个段可以独立处理数据。信标链是整个体系结构的核心，负责连接主链和管理各个环节。

Casper是相应的共识。它有两个版本。一个是由维塔利克领导的卡斯珀FFG。FFG采用pow+POS的混合共识作为转换协议，使以太坊从pow到POS成功转换，其主要思想是帮助pow在POS的帮助下生成块进行最终确认，在减少矿工奖励的情况下提高系统的安全性；另一种是Vlad领导的Casper-CBC和CBC是纯粹的POS共识。目前，CBC还有许多细节需要进一步研究和探讨。

信标链通过Casper协商一致来协调所有独立和并行的分片链，负责将验证器分配给分片并跟踪每个分片的当前状态，为分片提供最终的确定性保证，对提高整个系统的安全性起着至关重要的作用。它是ETHuMUM 2的基础，

在以太坊2.0中，1.0的原始链仍然保持运行POW共识的原始状态。切分链完成功能后，1.0将以太坊的实际操作权作为切分或信标链的主存储合同授予信标链，二者通过网桥互联。

2.2以太坊2.0更新点

根据以太坊的发展路线图，以太坊将在2020年进入2.0阶段。以太坊2.0在技术升级上有三大创新：共识机制从POW变为POS、碎片和电子游戏虚拟机。

POW-to-pos共识机制：提高效率，解决能源消耗问题

在以太坊1.0中，工作证明（POW）被用作生成新块的一致性机制。基于pow算力的共识，所有节点一次只能做一件事。整个网络可以处理的任务数量非常有限，这受到网络中单个节点可以处理的任务上限的严重限制。即使扩展了块大小，由于整个网络的一致性，提高效率的效果也是有限的。因此，为了减少生成新块所花费的时间过长和大量算力造成的资源浪费问题，以太坊2.0将改为股权证明（POS），作为生成新块的共识机制。

碎片——提高网络性能和容量

在物理空间中，分区是将公链网络中的所有节点划分为不同的组，每个组称为一个分区。原始公链中所有节点的任务完全相同。现在，任务被分组并分配给不同的段，这些段处理不同的任务。原有公链网络的性能瓶颈取决于网络中节点的性能。分区后，单个分区中的节点只需承担整个网络的部分工作，每个分区并行工作，从而提高整个网络的承载能力。假设分区数为n，则每个节点的工作负载是整个网络工作负载的1/n。同样，整个网络的容量将成为原来的100倍。碎片化是区块链扩容的最佳方案。它可以在不提高节点硬件要求和降低去中心化程度的前提下，大大提高网络性能和容量。

（碎片物理空间图，图片来源于tokeninsight碎片技术研究报告）

用EWAM替代EVM——提高智能合约的兼容性和执行效率

虚拟机是一个类似于操作系统的小程序，是处理智能合约部署和执行的地方。以太坊系统中的所有节点都需要运行智能合约才能在区块链上执行交易。每个完整的节点将运行一个虚拟机，所有节点将执行相同的计算。然后所有节点将比较结果并将其写入块数据。

（智能合约操作流程图）

以太坊2.0将支持多种编程语言，而ewasm将取代EVM。EVM虚拟机是以太坊网络的核心引擎，驱动着整个以太坊的运行，承载着以太坊中所有的代币、DAPP、Dao组织和游戏。然而，由于EVM的编译工作繁重复杂，会消耗大量的气体燃料，随着以太坊2.0pos和分片技术的改进，虚拟机需要并行处理事务，而EVM不适合这种操作，因为它是按顺序处理事务的。因此，以太坊团队建议使用电子战管理，而不是EVM。Ewasm是wasm（web程序集）代码的以太坊版本。与EVM相比，ewam具有更好的性能和可扩展性。它可以支持SOLidity、C++、rule、assemblyscript等编程语言。开发约会更容易，而且它还可以支持ETH2.0上的智能合约、帐户、状态等。此外，ewasm向后兼容EVM，因此在现阶段，理论上以太坊的智能合约仍然可以在以太坊2.0中运行。

2.3关键解决方案

同时，以太坊2.0由于引入了分片和POS共识机制，面临着新的挑战。因此，有casperfg、beacon-chain和Bridge解决方案来消除这些风险，并帮助以太坊2.0不断改进。

2.3.1.卡斯珀FFG

casperfg实现后，以太坊将进入POW和pos混合挖矿阶段，在这一阶段，大部分块仍将通过POW产生，部分块将开始移交给pos节点，使整个网络以更温和的方式过渡到pos。

Casperffg按计划为系统分配验证者委员会，为每个段选择块提议者和块验证者，并对验证者进行奖惩。

（1） 管理验证程序状态

验证器状态有四种：非活动（尚未执行验证器职责）、活动（验证）、等待（成为验证节点但仍在队列中等待）和退出验证节点（希望释放验证器职责但仍停留在退出队列中）。

在casperfg上，完整的验证器周期是：

1抵押押金：32 ETH需抵押至凯普智能合约

2等待选拔通知：等待1天

3投票：确认2次后，在检查站投票确认闭塞

4退出：退出协议发布后，需继续验证7天

5个。收回抵押：提交申请后，需等4个月左右才能收回。

进出口应有一段等待期，以便系统能安排验证者组成委员会，并点对点连接。这一过程应尽可能顺利，以便核查人员的数量不会出现明显波动。

理解两个时间单位

时隙：块提议者提出块并用于验证的时间，当前为12秒。如果在验证器委员会内达成一致意见，则时间段可以成功生成块，否则时间段将为空。

历元（时段）：由多个时隙（当前为32）组成的时段，即6.4分钟。纪元中的最后一个时隙称为检查点。

成为验证人：

由于POS存在“无兴趣攻击”的问题，即在POS机制下，恶意节点验证器可以在不损失任何代价的情况下推送fork链上的硬fork。因此，在以太坊2.0中，验证节点需要向信标链保证一定数量的以太坊（目前为32以太坊）才能申请加入。当标记为“活动”时，可以运行以太坊2.0协议。同时，信标链对验证节点进行跟踪管理。32 ETH的门槛很低。基于POW的POS采用智能合约的形式。节点程序可能会简单一些。用户只需在电脑上运行钱包，配置要求也不是很高。验证者做的最重要的事情是在步骤3中投票。及时准备投票，奖励验证者，避免因代币受罚。

退出验证：验证器还可以发出信号，表明它们要退出系统并停止参与协议。为了防止远程攻击，以太坊ETH 2.0具有较长的提取延迟期。他们的抵押代币加上奖励减去惩罚将返回到一个碎片链。

（2） 将验证器随机分配给系统

委员会是由信标链随机选择的一组（至少128个）验证节点，负责见证信标链和每个段生成的块。信标链有其相应的委员会，每个段也有一个验证委员会来验证块。委员会负责确保其所在区段的安全、活动和完整性，并证明信标链上区段的状态。

在每个时隙中，信标链将在每个委员会中随机选择一个验证者负责该块，并由一定数量的其他验证者检查该块并验证其正确性。在下一个块生成时，随机选择另一个验证节点来提出一个块生成，并改变另一组验证节点来验证正确性。

指定的验证委员会完成一个Epoch的传出和验证任务后，系统将对所有验证节点进行重新洗牌，并随机为每个分段选择下一个Epoch的新验证委员会。借助随机数生成算法，验证节点的选择过程从根本上避免了验证节点之间的串通，提高了协议的安全性。

（3） 确保链的最终确定性，避免POS远程攻击

比特币的pow共识采用最长链原则。为了防止重复支付的发生，一般需要等6个区块确认后，才能真正确认交易有效。事实上，六个区块确认之所以被认为是有效的，是因为在此之后，在比特币现阶段的算力下，交易被篡改的可能性可以忽略，但理论上，根据最长链原理，即使一个交易被数百个区块确认后，该交易仍被51%的攻击篡夺了更改数据的可能性。因此，在pow共识下，链的确定性只是隐含的最终确定性，这一特征将使复杂状态的碎片化更加不确定。

在以太坊2.0中，验证节点对每个块的投票将增加网络传播成本。为了减少Casper中的投票数，将每个epoch最后一个时隙上的块设置为检查点，参与协商一致的验证节点将对该检查点进行投票。每个验证器抛出一个检查点，它可以是从确定性检查点到多个检查点的检查点。从genesis块（第一个确定的检查点）开始，如果下一个检查点接收到超过2/3的投票，那么该块将成为确定的，并且不能更改。这个检查点是确定性检查点，依此类推。当一个确定的检查点从出发点到其后面的一个子检查点获得超过三分之二的选票时，确定的检查点和随后的检查点之间的所有检查点都已确认。

如果同一分支上的最后一个检查点也是一个确定的检查点，并且超过2/3的验证器对该段进行投票，那么这个确定的检查点就是最终的。如果一个检查点状态是final，那么它和它以前的所有块都会被确认。因此Casper共识的另一大改进是引入了显式的最终确定性，即在最新块之前的块信息不能再被篡改，这将有利于无状态客户端的实现。

同时，为了防止验证者在操作过程中作恶，卡斯珀制定了一套惩罚机制：验证者不能对同一块高度发起两张不同的选票，两张选票的投票范围不能存在一张含有一张的，否则，抵押物将被没收。

此外，为了提高pow链的安全性，FFG对最重链的叉选择做了一些修改：首先在视图中找到确定性最高的检查点，在检查点之后选择块上最重的链。

这样做有两个好处。首先是FFG中最后一个检查点之前的所有块都被确认，不存在颠覆的可能性。第二点是，一个确定的区块的安全性要求矿工不断地向区块提供自己的工作量，因此为了激励矿工，需要更多的挖矿奖励；在FFG中，只要最后一个区块被确定，后续的矿工就不需要使用工作量来增加被确定区块的安全性区块，因此挖矿奖励可以减少，通货膨胀率可以降低

（4） 通过奖惩机制规范节点行为

POS验证节点不仅起到块的作用，还起到验证块的作用。它还需要一直在线才能完成分配给它们的任务。

验证者的投票权取决于他们抵押代币的大小。每次验证程序成功打包一个块时，他们将获得以太坊2.0系统奖励，奖励与他们持有的代币成比例。如果大多数验证者拒绝他们设置的区块，验证者将面临失去抵押代币的风险。同时，如果验证者未能履行对该块的投票责任，则其承诺的以太网货币将减少。如果验证节点的余额减少到验证阈值以下，将被踢出验证节点池，不能继续参与验证工作。因此，Casper通过奖惩制度迫使核查人员诚实行事，遵守共识规则。

2.3.2信标链

芯片间的通信需要借助信标链来完成，因为一个段没有其他段的直接信息，只有其他段的信息才能通过与信标链的交叉连接来获得。在以太坊2.0中，每个分区都有一个验证委员会来验证该分区。委员会成员必须在信标链上写下关于分区的可验证信息（例如默克尔根），信标链是交叉连接的。当信标链块完成时，相应的分区块被认为是最终的，而其他分区可以确保它们可以依赖它进行跨分区事务。如果核查委员会成员不能就交联的有效性达成共识，错误的核查者将受到惩罚。

（1） 保证分段验证器的随机性

区块链系统很难产生良好的随机性，而公平性证明协议的关键要求是随机性的来源，随机性必须是分布的、可验证的、不可预测的、不可剥夺的。碎片更容易被恶意矿工控制，因为攻击者只需要1/N的哈希算力就可以完全控制碎片。因此，对于分片系统，需要良好的随机性来防止特定的分片被单独攻击。信标链负责将这种随机性提供给系统的其他部分。在以太坊分片中，当前的随机数生成是通过randao结构由信标链完成的。

验证器将提供一个散洋葱。Randao结构是将多个参与者提供的单个随机数组合成为单个输出数的一种方法。为了防止任何参与者显著地操纵随机性，开发人员使用提交-显示方案。当验证器注册时，它提供一个由它选择的原始数字的多个散列生成的承诺值。每次在委员会中选择一个块生产者，它通过提供数字的最后显示图像来去除一层或多层“洋葱”其他人可以检查这是否正确，因此投标人不能通过改变其单个随机数来欺骗系统。因此，块生产者基于上述协议中的随机性随机选择块支持者。

在Casper协议中，信标链的每一段选择一个验证器委员会，选择一个块验证器等等，这些都依赖于randao结构。

（2） 交叉链路成为每段的锚点，实现跨段通信

当shard a上的用户或合同想要与shard B交互时，shard a验证委员会的成员需要编写关于信标链上的shard的可验证信息（例如Merkel root）。把a的所有收据都塞进它的封盖里。在信标链等待片段A对包含收据的块达成一致意见后，将片段A的块头打包到信标链中。B段等待信标链完成块一致性后，将包含a段块头的信标链块头封装到B段块中，以达到片上一致性。如果B段上的合同想要发送回复消息（可能是值或错误），整个过程需要颠倒过来：B段生成一个收据，最终在a段生效。

（图片来自以太坊2.0。你还不认识卡斯帕吗？）

以太坊2.0的新方案将切片数从1024个减少到64个，降低了计算复杂度，将交叉连接的一致周期从一个历元减少到一个时隙，从而减少了交叉切片事务的延迟时间。

在双向通信中，当分区B上的契约是不发送应答信息的最佳情况时，还需要4个协商一致周期才能完成，如下图1-4所示。用户可以确认通信过程仅在三个时间段结束后才完成，因为用户可以看到在a段接收到B段的可验证信息和证据之前，B段已经就可验证信息达成了共识。由于ETH 2.0的共识时间是12秒，因此段a必须等待12*3=36秒才能看到结果，而想要在段a上查询结果的用户则需要等待12*4=48秒。

2.3.3桥接

桥接是以太坊1.0上的ETH向以太坊2.0的迁移。

在单向桥接方案中，现有的以太坊1.0持有者可以烧掉自己的货币，换取等量的以太坊2.0以太坊。2.0以太坊将生成并锁定在信标链的保证金合同中，但不能返回。这座桥梁将导致验证者的流动性问题，更重要的是，它可能导致以太坊1和以太坊2之间的可替代性问题。在双汇过桥之前，很可能有两种货币同时在汇市。双向桥不会有这个问题，但双向桥是一个紧密耦合的共识机制。双方的攻击和问题都会影响到链条的另一端，因此协议的制定势必非常繁琐。

下图显示了ETHhub上列出的单向和双向桥的一些显著优点和缺点。值得注意的是，单程桥梁的优势主要体现在技术方面，劣势主要中心化在经济方面。换言之，选择单向和双向桥梁本质上是技术和经济挑战之间的权衡。

目前，双向桥接有两种可能的路径，一种是在以太坊1.0上建立以太坊2.0的光节点，另一种是在以太坊1.0上操作以太坊2.0的整个节点。

Bridge需要考虑每个协议的安全性，因为实际的用户组有很多顾虑，并且需要大量的协调，才能在我们的生产网络中获得硬分叉。该团队希望在影响以太坊1.0的安全和风险条件之前，在生产环境中得到验证。开发团队在加入验证器流程之前应该启用桥接，但它会等到产品的第一阶段稳定后才打开；同时有许多相关的研究正在进行中，这可能会影响何时完成此操作。

3以太坊2.0面临的风险

3.1着陆风险

以太坊2.0开发难度大，耗时长。从架构图可以看出，要完成以太坊2.0，需要几项重大技术创新。智能合约分割和状态分割的设计和开发是非常困难的。此外，还需要考虑与原链的转换和兼容性，这进一步增加了实现难度。以太坊作为一个开发多年的平台，其代码结构已经变得非常复杂，很难对底层进行修改。在修改原始架构时，需要考虑许多因素。我们看到，虽然以太坊的架构已经确定，但许多细节仍在讨论和修改之中。

3.2竞争风险

许多公链致力于解决以太坊目前面临的扩展和性能问题。它们中的大多数都与智能合约层的以太坊代码兼容，这可以使开发人员最快、最方便地转移到自己的公链上。因此，以太坊面临的竞争压力非常大。如果以太坊不能改善自己的实例，它肯定会给其他公众一个连锁超越的机会。在高性能的公链轨道上，2014年的tezos已于2018年投入主网络，2016年的cosmos和Cardano测试版也已于2019年推出。以太坊2.0的时间紧迫。

参考材料：

为什么我们需要信标链

破碎技术研究报告

以太坊2.0的未来蓝图和挑战

以太坊2.0即将推出。你不认识卡斯帕吗？

以太坊芯片ETH 2.0指南